打殼錘頭自動焊接工藝及系統(tǒng)應(yīng)用研究

王剛，姜聯(lián)玉，白烏熱，孫國棟，馬子良，馬騁

（1.內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200；2.沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110169）

1 打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)主要由下料系統(tǒng)和組焊系統(tǒng)組成，組建全工序流程自動化機(jī)器人焊接工作站，可以改造目前打殼錘頭維修焊接繁瑣的維修流程，實(shí)現(xiàn)自動化流程生產(chǎn)工作，解決了維修打殼錘頭繁瑣的焊接工序，替代人工手弧焊接作業(yè)，從而提高自動化水平，減少人員作業(yè)強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險，提高生產(chǎn)效率。

1.2 工作對象

1.2.1 工件示意圖

工件包括合金錘頭、連接管以及尾管，尺寸如圖1。

圖1 工件示意圖

1.2.2 產(chǎn)品規(guī)格（表1）

1.3 焊接參數(shù)要求

（1）焊縫寬度：8mm±2mm。

（2）焊縫長度：周長280mm。

（3）坡口形式：V型對接。

（4）焊絲材質(zhì)：Φ1.2、Φ1.6鋼焊絲。

（5）保護(hù)氣體：CO2/99.7%（可根據(jù)焊接效果調(diào)整為合適比例的混合氣）。

（6）工件重量：40kg（焊接件：合金錘頭、錘桿、連接管）。

（7）焊接速度：250～300mm/min。

（8）焊接方式：全數(shù)字脈沖MAG氣體保護(hù)焊接。

（9）完成單根成品件焊接用時：≤6min。

（10）焊縫姿態(tài)：環(huán)縫。

（11）材質(zhì)：Q235無縫鋼管Φ89×8mm。

1.4 焊接成品質(zhì)量要求

（1）外觀檢查：焊件總體長度尺寸是否符合要求、有無焊接缺陷。

（2）抽檢成品打殼錘頭對焊縫處進(jìn)行橫向、縱向兩種剖面切割，采用無損滲透檢測法對剖面進(jìn)行裂紋檢測，對焊接質(zhì)量進(jìn)行評測，焊縫剖面不得有裂紋、焊瘤、燒穿、氣孔、弧坑、未焊透等缺陷。

（3）焊縫成型外觀均勻成魚鱗紋狀，焊接件焊道與焊接母材之間過渡平滑，無焊渣和飛濺物、結(jié)瘤現(xiàn)象，環(huán)型焊縫需要一次焊接成型，不允許有二次分段焊接。

（4）焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑、裂紋、電弧擊穿等缺陷，且焊縫不得有咬邊、未焊滿等缺陷。

（5）抽檢50根成品工件合格率≥96%以上焊接質(zhì)量符合焊接要求技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收評定為合格焊接工件。

（6）焊接件3個部分對接完成后，焊接成品件整體保持直線垂直度一致。

（7）機(jī)器人與全數(shù)字脈沖焊機(jī)可精確控制焊接參數(shù)，焊接質(zhì)量，保障焊縫均勻平滑，無毛刺、無氣孔、無夾渣、無結(jié)瘤。

（8）設(shè)備整體質(zhì)量驗(yàn)收部分由甲方組織相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求對設(shè)備、設(shè)施外觀整體工藝質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)評定。

（9）錘頭實(shí)際前后曲線與參考面的距離和理論值的偏差≤3mm。

1.5 工作流程簡介

連接管下料切割-尾管利舊切割-三段組對-焊接。

2 打殼錘頭自動焊接布局及應(yīng)用工藝流程

2.1 總體布局

打殼錘頭自動焊接系統(tǒng)共分為3個部分，總控區(qū)、機(jī)器人組焊區(qū)以及機(jī)器人切割下料區(qū)，如圖2。

2.2 下料區(qū)

機(jī)器人切割下料區(qū)包括：切割機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、切割定位旋轉(zhuǎn)輸料架、廢料回收箱、廢料回收轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)、等離子切割機(jī)。

（1）切割機(jī)器人。切割機(jī)器人本體及機(jī)器人控制器。機(jī)器人選用6關(guān)節(jié)機(jī)器人，根據(jù)示教的運(yùn)動軌跡能夠自動完成工件的焊接作業(yè)。機(jī)器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。其開放、安全、更具靈巧性。SRC M5為新一代控制系統(tǒng)提供了堅實(shí)的平臺，同時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和靈活性得到了提高。SRC M5提供了必要的開放接口來達(dá)到系統(tǒng)集成的需求。（2）搬運(yùn)機(jī)器人。機(jī)器人本體及機(jī)器人控制器。機(jī)器人選用6關(guān)節(jié)機(jī)器人，該機(jī)器人采用修長的延長臂設(shè)計，大幅度擴(kuò)展工作空間，工作范圍高達(dá)3007mm。機(jī)器人控制器采用新松自主品牌SRC G5新一代控制器。其開放、安全、更具靈巧性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和靈活性得到了提高。結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計，節(jié)約空間。配備智能冷卻系統(tǒng)，采用智能溫控，實(shí)時監(jiān)控柜內(nèi)溫度，環(huán)保降噪。（3）搬運(yùn)端拾器。搬運(yùn)端拾器采用單氣抓形式，由法蘭、連接板、氣抓、手指組成。（4）切割定位旋轉(zhuǎn)輸料架。切割定位旋轉(zhuǎn)輸料架系統(tǒng)包括原材料料架、原材料料架頂端旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、原材料料架頂端頂升機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、切割定位平臺機(jī)構(gòu)設(shè)備。（5）廢料回收箱轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。廢料回轉(zhuǎn)箱轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，主要由地軌、廢料回收箱、電氣元件組成。（6）物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)。物料框移動周轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由鋼機(jī)構(gòu)、料倉、氣動元件組成。（7）等離子切割機(jī)。采用Cutmaster A120等離子切割機(jī)，額定輸出120Amps。

2.3 組焊區(qū)

機(jī)器人組焊區(qū)包括：焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、托輥?zhàn)兾粰C(jī)、焊槍、焊機(jī)、尾管對中臺、合金打錘頭上料框、成品下料框。

（1）焊接機(jī)器人。焊接機(jī)器人本體及機(jī)器人控制器。機(jī)器人選用6關(guān)節(jié)機(jī)器人，根據(jù)示教的運(yùn)動軌跡，能夠自動完成工件的焊接作業(yè)。機(jī)器人控制器采用新松自主品牌SRC M5新一代控制器。

（2）搬運(yùn)機(jī)器人。搬運(yùn)機(jī)器人本體及機(jī)器人控制器與焊接機(jī)器人相同。

（3）機(jī)器人外部軸。機(jī)器人焊接時，需要外部設(shè)備如桁架、變位機(jī)等協(xié)同動作，使機(jī)器人以最佳焊接姿態(tài)焊接，保證焊縫質(zhì)量。相關(guān)外部設(shè)備需要采用機(jī)器人外部軸系統(tǒng)和機(jī)器人6個本體軸一起，由機(jī)器人控制器統(tǒng)一控制，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動功能。

（4）智能焊接軟件。新松智能焊接軟件功能包括：接觸式傳感檢測、焊縫電弧跟蹤、斷續(xù)焊、多層多道焊、電弧重啟、斷點(diǎn)恢復(fù)、焊縫程序參數(shù)化模板、熄弧優(yōu)化調(diào)整、擺弧功能模塊、故障及報警顯示、粘絲自動解除、氣體壓力監(jiān)控等功能。

（5）托輥?zhàn)兾粰C(jī)。采用托輥?zhàn)兾粰C(jī)進(jìn)行焊接，組對時，搬運(yùn)機(jī)器人先將合金錘頭和連接管上料至托輥上，定位機(jī)構(gòu)升起，推緊機(jī)構(gòu)推緊，保證合金錘頭插入連接管，然后焊接機(jī)器人對焊縫進(jìn)行點(diǎn)固。托輥?zhàn)兾粰C(jī)采用機(jī)器人外部軸控制，可精確控制轉(zhuǎn)速及啟停位置，有效保證焊接質(zhì)量。

（6）焊機(jī)系統(tǒng)。焊接電源采用松下500GL焊機(jī)，適合碳鋼材料的焊接和不銹鋼的非脈沖焊接。

（7）搬運(yùn)端拾器。搬運(yùn)端拾器采用單氣抓形式，由法蘭、連接板、氣抓、手指組成。

（8）焊槍系統(tǒng)。焊槍系統(tǒng)由焊槍、機(jī)器人防撞裝置以及自動清槍裝置構(gòu)成。

（9）尾管對中臺。尾管組對時，需要保證切割面和連接管有1mm間隙，搬運(yùn)機(jī)器人從尾管料框抓件后，需要進(jìn)行二次定位。使用重力對中形式對尾管切割面進(jìn)行定位，重力對中臺支撐柱上有萬向滾珠，一側(cè)有限位，尾管可依靠重力自行滑到限位位置對中。

（10）合金打錘頭上料框。打錘頭上料框由料倉、供料機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)組成。料倉寬度與工件長度一致，有一定坡度，管料可依靠重力自行向一側(cè)靠近；供料機(jī)構(gòu)可自動頂升，每次向定位機(jī)構(gòu)提供一個物料；定位機(jī)構(gòu)依靠氣缸推緊物料定位，有效保證機(jī)器人抓取位置的一致型。

2.4 總控區(qū)

（1）安全圍欄及遮光板。工作站四周設(shè)置安全圍欄，用于安全防護(hù)，防止機(jī)器人運(yùn)動時人員進(jìn)出自動化區(qū)域。生產(chǎn)線工作區(qū)采用圍欄分開，保證設(shè)備安全。（2）電氣控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制，采用LAD語言編程并有詳盡準(zhǔn)確的符號說明；系統(tǒng)配備獨(dú)立觸摸屏和豐富的可視化界面，方便產(chǎn)品配方生成、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和手動操作、系統(tǒng)報警信息顯示和處理；PLC與現(xiàn)場智能站之間采用Profinet現(xiàn)場總線通訊方式，保證通訊的實(shí)時性和安全性，與本地外圍設(shè)備之間采用無源接點(diǎn)IO形式通訊?？刂葡到y(tǒng)觸摸屏畫面包括自動操作畫面、手動選擇畫面、報警畫面、系統(tǒng)畫面和I/O狀態(tài)監(jiān)視畫面等豐富功能，詳盡顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。（3）除塵系統(tǒng)。機(jī)器人采用罩式除塵系統(tǒng)。該系統(tǒng)由煙塵凈化器、集塵罩、照明系統(tǒng)、管道等組成，主要安裝在固定支架上，保證有效吸收機(jī)器人切割與焊接時產(chǎn)生的煙塵。（4）上位機(jī)控制系統(tǒng)。生產(chǎn)和管理人員可以利用上位機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)控整條自動焊接系統(tǒng)的工作情況，獲取機(jī)器人參數(shù)和焊接參數(shù)等多種信息。完成焊接數(shù)據(jù)信息化管理、機(jī)器人焊接設(shè)備管理、焊縫質(zhì)量評估等方面，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)存儲、質(zhì)量追蹤等功能。